鈣鈦礦結構RCrO3體系磁性及磁電效應研究取得進展

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室尹利華等研究人員在鈣鈦礦結構Cr基氧化物的磁性及磁電效應等方面的研究獲得新進展，相關結果發表在Applied Physics Letters等期刊上。

　　磁性是物質的基本屬性，磁性物質在信息存儲、磁制冷等現代科學技術和生產生活中廣泛應用。具有簡單鈣鈦礦結構的RCrO3（R=稀土元素）及其Fe摻雜體系具有很強的磁電效應，還表現出較大的磁熱效應及溫度誘導的磁矩翻轉等現象，近年來已受到越來越多的關注。但是，其微觀機理尚不明確，甚至該體系中觀察到的磁電效應是否為本征屬性仍存在爭議。因此，對該體系的磁性及磁電效應進行系統研究具有重要的科學意義，有助于理解其微觀機理，探尋新型磁性功能材料及磁電材料。合肥研究院固體所研究人員對一系列Fe摻雜的RFe0.5Cr0.5O3 (R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)多晶、RCrO3 (R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其摻雜體系單晶的磁電效應進行了系統研究。

　　研究發現，Fe摻雜的RFe0.5Cr0.5O3(R=Y, Sm, Nd, Dy, Gd等)體系，除了具有巨磁熱效應、溫度誘導的磁矩翻轉、只改變外加磁場大小而無需改變磁場方向的磁矩翻轉等現象外，在室溫以下還表現出兩個相繼發生的介電弛豫行為。分析表明，該體系中溫度誘導的磁矩翻轉現象不僅與R-Cr/Fe磁相互作用有關，還與Fe-Cr磁相互作用密切相關。而在低溫下發生的兩個介電弛豫則分別與電子在富Cr團簇及富Fe團簇內的跳躍有關，其中富Cr/Fe團簇是由體系中Fe/Cr無序引起的。相關研究相繼發表在Materials Research Bulletin、Applied Physics Letters等期刊上。

　　為了進一步深入研究RCrO3體系的磁電效應及溫度誘導的磁矩翻轉等現象的微觀機理，研究人員生長了RCrO3 (R=Gd, Tb, Dy, Er, Nd等)及其摻雜體系的單晶樣品。通過對其磁性和磁電效應等進行深入研究發現，該體系的磁學性能因稀土元素R的變化存在很大差異，但在低溫下都具有較強的本征磁電耦合效應。(1)GdCrO3單晶：在該單晶中觀測到了兩個連續的溫度誘導的磁矩翻轉現象，還發現了溫度誘導的磁矩不連續跳躍的新現象。這些磁現象與GdCrO3單晶材料中Gd-Cr自旋相互作用有密切關聯。此外，在低溫下該單晶表現出極大的磁熱效應，其數值高達~242 mJ cm-3 K-1，遠大于其它稀土合金(如，HoCoAl等)以及Gd基石榴石Gd3Ga5–xFexO12 等同溫區的磁熱材料。相關結果發表在Journal of Applied Physics上。(2)TbCrO3、ErCrO3及DyCrO3單晶：TbCrO3和ErCrO3單晶在低溫下都表現出磁場誘導的磁矩跳躍現象；ErCrO3單晶在低溫下還具有非常大的旋轉磁熱效應；DyCrO3及ErCrO3單晶在低溫下表現出Cr離子及稀土離子的自旋重取向行為。這些現象都屬首次報道。相關結果發表在Journal of Materials Chemistry C上。

　　通過對RCrO3體系Cr位進行磁性元素替代，可以引入新的磁相互作用，進而改變其磁性基態并獲得一些新的磁、電等性質。基于該思路，科研人員生長出了Fe摻雜YCr1-xFexO3(x=0.12)單晶樣品，研究發現該樣品由于Fe/Cr之間的無序占位以及較強的Fe-Cr磁相互作用，使得其表現出不同于YCrO3和YFeO3母體樣品的磁場及溫度誘導的自旋重取向等磁行為。相關工作發表在Applied Physics Letters上。

　　該工作得到國家自然科學基金，中科院前沿科學重點研究項目的資助。